中國現在處于“石墨烯淘金熱”中，全國各地都在做石墨烯產業，石墨烯這個詞幾乎是家喻戶曉。據了解，中國科學院院士、北京大學化學與分子工程學院教授劉忠范在首屆“求是西湖學會”化學分會上，就中國石墨烯產業的研究、發展方向等方面分享了他的經驗和看法。在演講中，劉忠范分享了他所領導的團隊在石墨烯方面取得的一些成果，同時，也給人們以警示，切勿讓石墨烯產業重演早前大煉鋼鐵運動。本期文章根據劉忠范教授當天的演講整理并略作編輯而成。

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中國科學院院士劉忠范

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　　石墨烯是一種二維蜂窩狀純碳材料。大家所熟知的石墨，一層一層地剝離開來，就是石墨烯。石墨烯號稱新材料之王，集眾多特性于一身。它是最薄、最輕的材料，同時也是最強、最堅硬的材料。雖然石墨很軟，但是單層的石墨烯材料甚至比金剛石還硬。我們所熟知的金剛石導熱性很好，熱導率在2000W/m?K左右，而石墨烯的熱導率達到5300W/m?K。石墨烯還兼具柔性、透明等特性，而且只有質子能夠穿透。這些優良的特性賦予了石墨烯材料極為廣闊的應用前景，也是吸引全世界眼球的根本原因。
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　　中國石墨烯產業化運動
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　　中國擁有全世界最為龐大的石墨烯研發隊伍，從2011年起發表的學術論文數量就穩居世界第一。
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　　中國申請的石墨烯專利數量也高居全球榜首，呈遙遙領先之勢。
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　　中國正在掀起一場轟轟烈烈的石墨烯產業化運動。我一直在更新這張石墨烯產業園分布圖，目前全國有將近二十個石墨烯產業園，這個數字幾乎每天都在增長之中。無論是發達地區，還是偏遠地區，都在建石墨烯產業園，這讓我想起1958年大躍進時期的大煉鋼鐵運動。
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　　其實對于石墨烯材料來說，理想與現實差距很大。理想的石墨烯具有完美的蜂窩狀結構，而現實的石墨烯就像一件破衣服，由無數個石墨烯微片拼接而成。石墨烯上有很多缺陷，還有很多臟東西。因此，現實制備出來的石墨烯材料性能沒有那么好，價值也沒有那么高。套用一句網絡語言，就是“理想很豐滿，現實很骨感”。
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　　我一直認為，我們可以看不懂未來，但是可以回顧歷史，溫故而知新。大家所熟悉的碳纖維研發歷史很有借鑒意義。1961年，大阪工業技術試驗所進藤昭男發明聚丙烯腈基碳纖維制備技術，十年后的1971年日本東麗公司率先實現工業化量產，每月一噸的規模。東麗公司沿著T300、T800、T1000的標號之路不斷提升碳纖維的質量，投入了1400多億日元研發資金。直到2003年贏得波音787合同，才真正扭虧為盈。實際上，早年的碳纖維只能做釣魚桿，而現在的碳纖維已成為先進航空器的支撐材料。同樣叫碳纖維，但是東西不一樣，強度完全不一樣。我相信石墨烯材料也會走同樣的路，需要時間的積淀，需要持續的投入，更需要耐心。
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　　我也一直認為，制備決定未來。現在的石墨烯并不等同于未來的石墨烯。
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　　現在我們看一看石墨烯是怎么制備出來的。
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　　石墨烯的制備方法
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　　石墨烯可以分成兩大類，粉體石墨烯和薄膜石墨烯，制備方法不同，用途也完全不同。前者可以稱之為男石墨烯，傻大黑粗；后者則是高品位的女石墨烯。當然這是玩笑，不能當真。我的團隊更多關注的是女石墨烯的制備方法。
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　　從大規模生產的角度講，粉體石墨烯通常從石墨出發制備，通過一系列的物理化學過程把石墨烯從塊體石墨上剝離下來。一般這種石墨烯質量較差，但產量很大，也比較便宜。目前國內產能已達到七千噸規模，實際產量也就百噸規模。化學氣相沉積方法是規模化制備薄膜石墨烯的通用技術，所得到的石墨烯質量很高，當然也比較貴，目前國內產能已達到年產百萬平米量級。北京大學在高質量石墨烯制備方面做了大量的研究探索，在標號石墨烯薄膜、三維粉體石墨烯、超級石墨烯玻璃以及超級石墨烯光纖等研究領域取得一系列重要突破。
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　　超級石墨烯玻璃
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　　我們知道，石墨烯非常薄，只有一到數個原子層厚度。因此在使用時需要放到某種載體上，例如塑料薄膜表面，在使用時自然也會受到載體的限制。我們找到了一種新的載體：玻璃。
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　　玻璃隨處可見，應用領域極為廣闊。其實我們是找了一條偷懶的路：讓石墨烯搭乘玻璃載體走向市場、走向世界。如果我們能夠在玻璃上生長石墨烯而不是簡單地涂覆石墨烯，那么就可以獲得全新的石墨烯玻璃，通過石墨烯來賦予玻璃新的功能。傳統玻璃產業的產能嚴重過剩，利用石墨烯或許可以使其升級換代，煥發青春。
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　　石墨烯和玻璃的結合有什么意義和價值呢？玻璃是透明的，少層石墨烯不會改變玻璃的這種屬性。玻璃是電和熱的不良導體，石墨烯則是電和熱的良導體，如果能夠把這兩個東西結合起來的話，會產生一種特種玻璃，既導電又導熱，同時兼具強度的提升和生物相容性。
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　　傳統玻璃的制備是高溫化學過程。玻璃是非晶體，所以沒有熔點，但是有軟化點，這是石墨烯生長時的一個非常重要的參數。不同玻璃的軟化點不同，從攝氏400度到2000度以上。石墨烯是在攝氏1000度左右長出來的，因此軟化點不同，生長方法也完全不同，為此花費了我們數年的時間。
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　　對于石英等耐高溫玻璃，直接在高溫下生長石墨烯，需要一些訣竅。普通玻璃軟化點較低，需要利用等離子體增強化學氣相沉積技術。雖然質量不好，但基本可以保證產品透明導電。我們還發明了熔融態氣相沉積技術，在軟化、熔融的玻璃表面上生長出高質量的石墨烯薄膜。現在，我們可以在任意玻璃上生長出一到數層的石墨烯，可控性相當不錯。
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　　玻璃上生長石墨烯的一個難點在于均勻性，大面積生長時均勻性會變差，而且生長速率比較慢。實際上還有很大的提升空間，比如用乙醇作為碳源時生長速度可以大幅度提高，質量也顯著提升。
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　　這里是一塊六十厘米長的玻璃，用甲烷長石墨烯的時候非常不均勻，但是用乙醇則完全不同，長得非常均勻。我們想了很多辦法來提升生長速度，以滿足大規模制備的需求。例如，在生長玻璃基底上放置一塊毛玻璃，形成一個狹窄的生長空間，可有效提升生長速度。
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　　那么這些玻璃究竟有什么用呢？我們做了大量的應用探索工作。
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　　· 觸摸屏
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　　上圖是我們用石墨烯玻璃做的觸摸屏，線性度可以說和ITO沒有任何差異。當然目前還比較貴，無法同ITO玻璃競爭。
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　　· 電致變色智能窗
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　　大家坐過波音787的話，會發現已經用上了智能變色窗，不用窗簾。一按按鈕就可以調控窗子的顏色。用我們的石墨烯玻璃也可以達到同樣的目的，而且能耗可以大幅度降低。
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　　· 液晶智能窗
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　　把高分子液晶夾在兩塊石墨烯玻璃中間，加上幾十伏的電壓，就可以切換智能窗的透明度。未來可以用石墨烯玻璃做投影墻，用的時候打開，是不透明的，通過散射光來投影；不用的時候可以是一幅裝飾畫或滾動顯示屏。
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　　· 透明加熱片
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　　這是一種更接地氣的用途。石墨烯玻璃導電，而且具有一定的電阻，可以用作透明加熱片，加上幾伏電壓就可以起到除霜、除霧的作用。大膽想象一下，未來的石墨烯新能源汽車不需要貼膜而自動調色，可以自動除霜霧，車體用的是石墨烯復合材料，動力電池也用到石墨烯，甚至還裝備很多石墨烯傳感器。
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　　· 高效半導體照明技術
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　　最近我們和半導體所合作，找到了石墨烯應用的新大陸。在石墨烯玻璃上生長高質量第三代半導體材料，可顯著提高照明效率，降低成本。
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　　· 高效細胞培養皿
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　　我們的石墨烯玻璃還可以制作高效細胞培養皿，同等條件下細胞增殖效率提高至少一倍。
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　　· 生物傳感器
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　　石墨烯玻璃制品還有很多用途。在透鏡、棱鏡上面生長一層石墨烯，再修飾一些生物分子，可以用作生物傳感器。顯而易見，借助于玻璃，石墨烯可以開辟出一系列全新的應用領域。
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　　· 收集水霧
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　　這是一個演示性的東西，可以做干旱地區的水霧收集。這是集水性非常強的玻璃，水滴在上面是水霧狀態而不是薄膜狀態，導熱率提高幾倍，這樣就可以高效地收集水霧。用石墨烯玻璃制作的智能建筑，在干旱和半干旱地區可顯示出廣闊的應用前景。
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